污水处理厂能耗特征分析与能耗指标的建立

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1、Q 水世界-中国城镇水网水业第点1水业于册1企业Z窗求职播聘学术论坛www. Ch inacitywater.org行业论文1专家帯询金肢信息抒业分析下载专区污水处理厂能耗特征分析与能耗指标的建立?金昌权 汪诚文（清华大学 环境科学与工程系，北京100084）摘要：通过分析污水厂能耗特征，将污水处理厂能耗分成预处理、生化处理、污泥处理三个单元进行统计和分析， 实现能耗分析单元化便于工艺间比较。 并通 过分析各单元能耗的影响因素和特点， 设计出预处理单元的能耗利用效率、 生化 单元曝气系统的污染物去除比能耗、污泥处理单元的吨泥比能耗等能反映能耗水 平的指标。新的指标便于进行能耗评估、比较和分析，

2、为进一步的能耗管理和节 能工作提供支持。关键词：污水处理节能能耗指标刖言全国污水量巨大，而能耗涉及污水处理厂的运行成本， 近年来备受关注。根 据建设部统计数据，2005年全国城市污水排放总量360亿ml,城市污水处理量 186亿m,污水处理率51.7%城市污水集中处理厂 792座，设计能力5725万 ml/d，其中二级以上694座，设计能力4791riVd。以一级污水处理厂2 0.072kW h/ 卅，二级污水处理厂0.338 kW- h/ m 3推算，2005年全国城市污水处理厂应消耗 电能为61.56亿kW h。根据全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划，到2010年底，年污水 处理量达到

3、297亿mt据此推算，到2010年，全国城镇污水处理厂将消耗电能 100亿kW- ho而运行费用高，能量消耗大，处理污染物的巨大费用已经给相关 的市政部门、生产部门带来了沉重的经济负担。如何使污染处理设施在最佳状态 下运行，在满足处理要求的同时，使建设费用和运行费用最低，一直是人们关注 的问题。1国内外能耗分析研究现状国内外对污水处理过程中的能量消耗以及优化运行的研究很有限，大大滞后于与水质特性相关的机理和应用研究。WesneF对美国污水处理单元过程进行了 直接和间接能耗调查，并预计能耗在污水处理设施运行费用中所占的比例将越来 越大。W.F.Owe以直接能耗和间接能耗的概念，阐述和比较了各种污

4、水处理与 污泥处理工艺。Karlss on呵提出潜在耗氧势（Oxygen Con sumption Pote ntial, OCP的概念，不仅考虑有机碳和氨氮在污水处理过程的耗氧，还考虑氮磷排放 导致藻类生长在环境中分解所需耗氧的二级需氧要求。这一概念考虑了污水工艺出水对生态造成的影响从而拓宽了能耗分析的概念，但是，这种方式不便作为污水厂的运行过程中能耗的衡量手段和能耗管理的依据。在国内，羊寿生2对我国典型一级、二级污水处理厂各单元进行过能耗估算， 给出了估算值，但是研究并没有揭示各部分的能耗的影响因素，没有根据各部分能耗的特点给出估算值（统一使用吨水单耗来表示），没能揭示不同单元能耗的 特点

5、，不利于进行进一步的节能潜力和途径的分析研究，不便于作为能耗管理的依据。高旭，龙腾锐等人进行了污水处理工艺单元能量平衡分析研究，提出用课题来源：“ 一五”国家科技支撑计划重点项目（2006BAC19B06 ）水世界-中国城镇水网水业第点1水业手册1化业Z窗求职招聘学术论坛www, Ch inacitywater.org行业论丈1令掾咨询金肢信息行业分析卜戦导区Exergy （能量中可以无损耗地转化为功的部分,即能流中的有用部分）的概念分 析污水处理单元能效。但是这种方法不便对实际运行中的污水处理厂进行能耗分 析和评价。综合以上研究现状不难发现，在能耗分析研究中，没有明确的边界界定、统 一的能耗

6、审计和评估的指标，各种工艺间的横向比较难以进行。现有指标不能反 映污水处理厂不同单元的能耗特点，不能有针对性的进行能耗评估，不便于作为 能耗管理和节能潜力分析的依据。因此，有必要根据能耗管理的需要界定污水处理厂能耗分析的边界，并根据实际运行中污水处理厂各部分能耗的特点， 建立统一的能耗指标评估污水厂的能 耗水平。新的指标应能反映各部分的能耗水平， 便于进行工艺间的横向比较、深 入的能耗分析、节能潜力的识别以及能耗管理水平的提升。2方法以A20,氧化沟和SBF三种我国采用的典型污水处理工艺为重点（根据建设 部统计，这三种工艺在数量和处理能力方面都占到全国803左右），在全国范围内选择了 10座污

7、水处理厂作为重点研究对象，进行了针对污水处理厂实际能耗 情况的调查研究。调研以污水处理厂的能耗计量状况、实际能耗情况、水量水质信息为关注点， 收集资料和数据，包括污水处理厂的设计手册和相关资料（含设计图纸），用能计量数据记录，每日的水量记录，进出水水质记录以及与能耗物耗相关的其他记 录（污泥相关数据）等，具体内容见表 1。表1污水处理厂实际能耗特点调研内容项目概况计量设备设备清单运行时间水量水质其他污水处理厂的设计参数、设计手册和相关资料（含设计图纸） 能耗计量设备的布置、能耗计量状况 设备种类、台数、功率、配置的位置 设备每天开启的时间记录 每日的处理水量数据（部分有条件污水处理厂的水量的时

8、变化数 据）BOD COD SS TN NH3-N TP 等 6 项泥饼量、泥饼含水率、部分在线监测设备记录根据设计说明书、设计图纸以及相关资料，确定用能计量设备的结构和能耗 的发生点，根据实际计量状况为基础，结合相应时间段内用能设备的运行时间， 确定每一部分的能耗，将能耗分解到发生能好的每台设备和装置上。在此基础上，将全厂能耗按能耗特点分成三个单元来整合处理，即预处理单元、生化处理单元和污泥处理单元，并分析影响各单元能耗的因素和特征。 并针 对每一部分的能耗特点，设计能反映单元能耗水平的的评估指标。部分污水处理 厂有深度处理、中水处理、除臭、污泥消化等设施和单元，但这些都不是典型污 水处理厂

9、的组成单元，所以在本文中不予分析。此外办公用电占到整个污水处理 厂能耗的比例很小，所以本文没有单独分析这部分能耗。3预处理单元P 水世界-中国城镇水网水业焦点1水业于册1企业Z窗求职招聘学术论坛www. Ch inacitywater.org廿业论文1与家帶询金胰信息行业分析卜戦导区预处理单元的特点是为后续的处理提供预处理， 在几种常见工艺当中没有显 著区别，均有提升污水、去除水中杂质（各种栅渣、沙、油等）便于后续处理的 稳定运行等功能。具体的包括：格栅间（粗格栅、中格栅、粗格栅后无轴螺旋输送机、压榨机 等设备），进水泵房（进水提升泵、细格栅、细格栅后无轴螺旋输送机等设备） . 沉沙池（砂水分

10、离器、压榨机、搅拌器、曝气沉沙池中用到的鼓风机等设备）、隔油池（部分污水处理厂有设置）等相应子单元。图1中分别表示了，三座污水处理厂1年时间内，每月预处理单元的吨水单 耗数据。由图1可以看出，这三座污水处理厂的预处理单元的吨水单耗差别明显。 如果仅以这种原有的指标表述，容易得出，B 厂的能耗水平高，C厂的能耗水平 最低的结论，并且很容易得出 B厂的节能空间很大的错误结论。10-OOOOOQOo oOoo-O-OOAOQ oO 0OoAQ AbAA AA AA-ii1O1 1AT01 1BT1A1CT1月2月3月4月5月6月 7月8月 9月10月11月12月月份图1 A,B,C三座污水厂预处理单

11、元月平均吨水单耗图得出这种错误结论的主要原因是，使用了有一定“误导”性的吨水单耗作为 预处理单元的能耗指标。而预处理单元 95%以上的能耗，发生在提升泵房的污水 提升过程中。而污水提升中，除了水量还有一个很重要的因素-提升高度（或者 称为扬程）。正是因为提升高度的缺失导致了吨水单耗指标的“误导”。根据以上分析，本文以能量利用效率的概念为出发点，以所消耗的能量为输入能，以实际提升所得到的机械势能为输出能，计算预处理单元的能量利用率， 具体如式（1）。利用效率 n= P2 7川（1）W式中Q-日提升水量，单位：m 3/d，h-提升高度（扬程），单位：mW-日预处理单元的能耗，单位：kW h,P、g

12、以常数处理，水的密度p =1kg/m 3，重力加速度g=9.8m/s2。以预处理单元的能耗利用率作为能耗衡量指标重新计算，得到图 2。由图2 可以看出，这三座污水处理厂预处理单元的能耗利用率相近，在 70%左右，并没 有图1中的悬殊差别。其中以A厂为例，进行节能潜力分析。A厂全年的预处理单元能耗利用效率 为67%而所配置的提升泵最高效率为 86.5%提升泵占整个预处理单元能耗的 96%如果能通过优化控制，使得提升泵一直保持最高效率的90%以上，则至少可以降低预处理单元能耗的10%如果能一直保持最高效率的 95%以上，则至少 可以降低预处理单元能耗的14%而这种优化提升泵的方式最多能达到预处理单

13、元18%?能效果。预处理单元能耗利用率作为指标，不仅便于进行节能分析，还有利于进行节 能管理和节能工作的开展。90%85%o80% % 75% 率70% 效65%60%50% JJJ11JJJL1 月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月月份图2 A,B,C三座污水厂预处理单元月平均能耗利用率图4生化处理单元生化处理单元是污水处理厂的核心单元， 由图3可以看出，生化处理单元能 耗在全长能耗中的比例从50%70%是污水处理厂的主要能耗节点。生化处理单 元的特点是通过对污水进行生化处理，也是污水处理厂的核心单元（在一级、强 化一级处理中没有生物降解过程，但鉴于我国现阶段污水处理设施的特

14、点以生化 处理来命名，在一级、强化一级处理中进行注明即可）。ABCDEF污水厂名X.P X.P X.P X.P X.P X.P X.P 7 7 7 7 7 7 75020o O4 3O%例比耗能O%图3 A,B,C,D,E,F六厂生化单元能耗占全厂能耗比例图以二级污水处理厂为例，生化处理单元根据不同工艺类型，子单元的构成上 有所区别。主要由初沉池（部分污水处理厂未设）、生化反应池（按工艺类型有 几种类型，活性污泥法中的曝气池（还可以有缺氧池、厌氧池）、氧化沟、SBR池、生物滤池等）、二沉池（在部分工艺中没有单独设置，如 SBR工艺）等相关 单元。虽然生化单元构成复杂，不同工艺还有不同的特点，但

15、是都可以分成两部 分，即曝气系统和其他机械系统。曝气系统，指鼓风机（活性污泥法工艺、SBR工艺等）或机械曝气（氧化沟 等工艺）装置的能耗。其他机械系统，指生化单元中除曝气系统之外的部分， 是为了污水处理的顺 利进行的搅拌，污泥的分离，以及保证工艺稳定运行的回流系统， 在有脱氮除磷 功能的污水处理厂中还包括更为复杂的内回流系统。具体包括：初沉池污泥泵、水世界-中国城镇水网水业焦点1水业F册1企业Z窗求职招聘学术论坛www, Ch inacitywater.org行业论乂 1专家帯询金胰信息行业分析下载专区刮泥机、回流污泥泵、刮吸泥机、搅拌器、内回流泵、剩余污泥泵，滗水器（SBR 工艺）等。4.1

16、曝气系统曝气系统的作用是向有氧降解过程提供氧气。清华大学，朱五星 等对污水 处理厂的需氧量进行过理论研究，提出了包括有机物降解所需耗氧量与硝化需氧 量，同时考虑到污水厂剩余污泥的排放，反硝化过程消耗的反硝化所需要的有机 碳源的污水处理厂耗氧量。污水处理厂的实际需氧量可以表示为：总需氧量=炭化需氧量+硝化需氧量-污泥排放氧当量-反硝化氧当量（2）需氧量与水质指标以及运行方式有紧密的联系，因此，仅考虑水量影响的吨水单耗来衡量曝气系统的能耗是不适宜的。国内有以单位BODCOD的去除量作为能耗衡量指标的，但是这种指标受到水质构成的局限， 不适宜在全国范围内进 行比较。为此，本文提出以国际水质协会（IW

17、AQ提出的污水处理Benchmark国际基准中的水质衡量指标体系为基准。表2 Benchmark国际基准水质衡量指标水质指标分项CODBODSSTKNTNTP权重系数（IWAQ推荐 值）1 2 220 20*此体系通过权重系数，将不同的水质指标整合在起，优点是可以更全面的描述水质差异，便于在不同水质的污水处理厂之间进行比较。但对能耗管理和节能潜力、途径分析来说还需要更进一步的指标去识别节能 潜力。实际上，作为能耗重点单元，曝气系统也是近年来节能研究的重点。节能 途径主要分三大类，第一类通过设备升级等方式提高氧在水中的利用率，如微孔曝气设备通过提高氧的传质效率起到节能的效果；第二类是通过模拟和优

18、化运行 的方式，精确控制风量（在机械曝气系统中表现为曝气设备的开启台数和运行频 率的控制），达到降低曝气量进而起到节能的效果；第三类是通过变频等技术手 段提高鼓风机、机械曝气机的运行效率，使得曝气设备一直能在较高效的状态下 稳定运行，进而起到节能的效果。为了体现不同的节能途径达到的节能效果， 有必要细化指标。作为曝气系统 中的重要参数-风量就是合适的指标。第一类节能途径通过提高传质效率降低风 量，第二类节能途径通过识别运行中的过量曝气状况降低风量，第三类通过提高供风效率降低设备能耗。所以前两种适合以去除单位污染物时的供风量来衡量， 而第三种适合以提供单位风量所消耗的能耗为指标，而这两者的乘机就

19、是曝气系 统的总能耗指标。4.2机械系统这个子系统是污水处理厂的各子系统中通常是设备台数最多的，大部分是污水处理厂中各个构筑物上的常开设备（在SBR等间歇运行的工艺中，表现为周期 运行）。图4、图5分别是两种不同类型工艺（一种间歇运行，一种连续运行） 污水处理厂的机械部分能耗，可以看出，这部分能耗在间歇和连续两种运行方式 下都是相对稳定的。水业焦占丨水业手册I宦业Z窗I求职招聘I学术论坛行业论E 专家習询I金戕借息 行业分析I卜戦与区水世界-中国城镇水网www. Ch inacitywater.org水业焦占丨水业手册I宦业Z窗I求职招聘I学术论坛行业论E 专家習询I金戕借息 行业分析I卜戦与

20、区水业焦占丨水业手册I宦业Z窗I求职招聘I学术论坛行业论E 专家習询I金戕借息 行业分析I卜戦与区图4间歇运行工艺连续2个月机械系统能耗图30000h - 耗能水业焦占丨水业手册I宦业Z窗I求职招聘I学术论坛行业论E 专家習询I金戕借息 行业分析I卜戦与区h - WK/耗能2000015000-O生化单元机械能耗10000 -5000-0 IIII9-19-119-2110-110-1110-2110-31日期图5连续运行工艺连续2个月运行机械系统能耗图机械系统能耗的相对稳定，与大多数设备在污水处理厂运行期间常开或周期 运行方式相关。所以机械系统能耗主要与污水处理厂的规模相关，故使用吨水单 耗

21、就可以很好的评估这部分能耗水平，也适合作为不同工艺间机械系统能耗比较 的指标。调查中还发现，这部分能耗更多的与设计相关。5污泥处理系统污泥处理系统包括污泥车间和相关处理过程，主要是对初沉池（部分污水处 理厂没有单独设置）和二沉池（在没有单独设置二沉池的工艺中会有其他构筑物 起到泥水分离的效果，如 SBR工艺中的生化反应池在沉淀期起到泥水分离的效 果）所分离的污泥进行浓缩脱水等处理。具体的，包括污泥浓缩机、浓缩机进泥 泵、浓缩机出泥泵、浓缩机加药泵、絮凝剂制备装置、脱水机（带式、离心等类 型）、脱水机加药泵、冲洗水泵、脱水机进泥泵、消化池进泥泵、无轴螺旋输送 机等设备。污泥处理系统的能耗与排泥量

22、、含水率以及污泥的脱水性能密切相关，而且 与絮凝剂的效果也有关系，所以用吨水单耗不能很好的评估这部分的能耗。 由图 6可以看出，不仅不同污水处理厂之间吨水产泥率明显差别，A、BC 三厂年平水世界-中国城镇水网水业焦点1水业手册1企业Z窗求职播聘！学术论坛www, Ch inacitywater.org抒业论丈1专傢帶询金胰信息行业分析下载专区均产泥率为0.69%。、1.21 %。、0.64%。而且单厂的吨水产泥率的变化也是明显 的，三厂的最高最低产泥率的比值分别为2.4、1.9、2.8。而产泥率主要受污水水质情况、生化处理单元工艺运行的影响，故简单的用吨水单耗来衡量污泥处理 单元能耗是不能反映

23、污泥处理单元的能耗水平的。64.2Q.864.21 .1 .1 .1 .oooo 詐率泥产水吨 o 0 a4 nA Ao23 06A Ac OAA .一oB月6 月月图2 A,B,C三座污水厂吨水产泥率变化图本文建议使用吨泥单耗，以产生的泥饼量为单位物质来计算比能耗， 评估污 泥处理单元的能耗。为了满足不同污水处理厂之间的比较， 引入污泥量作为中间 参数，用两个量来表现污泥处系统的能耗情况。吨水产泥量，表征的是处理单位污水时产生的污泥量，反映的是工艺运行的状态，在稳定运行的污水处理厂中吨 水产泥量相对稳定。单位污泥的能耗，表征的时产生单位泥饼时的能耗， 反映的 是污泥处理系统的运行能耗情况。6

24、结束语合理科学的能耗指标不仅可以正确反映各单元能耗水平，还能作为能耗分 析、节能潜力分析的依据，并促进能耗管理工作的展开。本文通过典型污水处理 厂的调查分析研究，试图建立统一的能反映真实能耗水平的能耗指标体系， 为下 一步的能耗管理和节能工作的开展提供借鉴。将污水处理厂分成预处理、生化处理和污泥处理三个单元进行能耗分析，能 更好的分析各部分能耗特点，还可以进行跨工艺的能耗比较。 而且，设计出的预 处理单元的能耗利用效率、生化单元曝气系统的污染物去除比能耗、 污泥处理单 元的吨泥比能耗等指标可以更好的反映单元能耗水平，为有针对性地推进污水处 理厂能耗管理和节能工作提供依据。统一的指标体系，不但使

25、得能耗分析可以在不同工艺的污水处理厂之间进 行，还能促进能耗管理工作的借鉴和推广，全面提升能耗管理水平。Study on energy consumption analysis and indicators forwastewater treatment plantsJin Chan gqua n Wang Chen gwe n(Departme nt of en viro nmen tal scie nee and engin eeri ng, Tsin ghua Un iversity,Beiji ng 100084 )水世界-中国城镇水网www. Chinacity water orgA

26、bstract : By analysis, the whole energy consumption of WWTPs is divided to three parts, which con ta in pretreatme nt, biochemical treatme nt and sludge treatme nt. It available to compare en ergy con sumpti on among differe nt WWTPs with this method. By in flue ncing factors an alysis, in dicator f

27、or each part is foun ded. There are en ergy efficie ncy for pretreatme nt, en ergy con sumptio n per polluta nt removal for aerati on system which bel ongs to biochemical treatme nt and en ergy con sumpti on per sludge for sludge treatme nt. These in dicators are more efficie nt in measure of en erg

28、y consumption, and with these indicators it s available to find feasible energy savingapproaches.Key words: Wastewater treatme nt, en ergy sav ing, en ergy con sumpti on in dicator参考文献1 郑兴灿 等城市污水处理技术决策与典型案例M.北京：中国建筑工业出版社，2007.362 羊寿生.城市污水厂的能源消耗J.给水排水,1984, (6): 15193 George M. Wes ner, Gordon L. Cul

29、p, En ergy con servati on in mun icipal wastewater treatme nt MCD-32 EPA 430/9-77-0114 W. F. Owen著，章北平、车武 译，污水处理能耗与能效M.北京：能源出版社，1989.5 In gemar Karlss on, Environment and en ergy efficie ncy of differe nt sewage treatme nt processJ. Wat. Sci. Tech., 1996, 34(2-4): 2022116 龙腾锐,高旭.污水生物处理单元能量平衡与分析方法研究与

30、应用J.环境科学学报，2002, 22(5): 6836887 朱五星.城市污水处理厂物料能量分配及其优化策略研究D.北京：清华大学，20048 Copp J. B., Spanjers H., Van rolleghem P. A. Respirometry in con trol of the activated sludge process: Ben chmark ing con trol strategies. IWA Task Group on Respirometry in Con trol of the Activated Sludge Process. U.K., IWA publishing, 2002